冲击式水轮机

冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的*射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。冲击式水轮机适用于高水头、小流量的电站，它将来自压力管道的水，经喷嘴后转换为高速射流，切向冲击转轮，推动转轮旋转，从而带动发电机转子转动发电。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。

中文名：冲击式水轮机

外文名：impulseturbine

类型：水力原动机

应用：水力发电

领域：能源

学科：电气工程

1、简介

早在古代，我国就开始使用水车提供生产动力。现如今，以水车为原型的水轮机——冲击式水轮机正在成为水轮机领域一个新的热门领域。在其他各种水轮机都相对成熟了的时候，冲击式水轮机正在受到越来越多的关注。现代冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的*射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成讲水能转换成机械能的一种水力原动机。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。

理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。

2、研究进展

冲击式水轮机的研究制造主要在欧洲进行，瑞士阿尔卑斯山脉B水电站水头1883m，单机容量达到42万kW。大型冲击式水轮机为了更大限度利用水能，一般可以做到6个喷嘴，6喷嘴射流能量同时供给转轮做功。我国现在冲击式水3轮机的储能非常之大，开发量比例甚少甚少。转轮以早期哈尔滨大电机等的提供为主，但在10数年前已经停止了开发及试验。近年各厂家要么继续使用旧型转轮或加以一些改造，要么花高价(几百万元人民币)进口转轮。由于技术的缺乏，投标时苦于手中没有转轮，对这块空白地的竞争或束手无策，或是技术指标落后中标率低，影响了竞争力及损失了经济利益。随着国内市场的开放这种情况会越来越严重。

其中天湖电站是1992年的当时国内第一个千米水头，所以这个电站的名气很大。长达17年的国内最高水头电站。后续高水头的基础，所以这个电站在国内水斗式高水头历史上具有重要地位。苏巴姑虽然高了150米，但是毕竟是后续电站，现在的头衔就是一个国内最高水头电站。冲击式水轮机问世后,为了提高其效率和输出功率又研制出了立式多射流型冲击式水轮机。现阶段随着新材料及新技术的应用,已能制造出使用水头在1000～2000m,输出功率高达1000MW,运行安全可靠的高水头大出力冲击式水轮机。冲击式水轮机的转轮为铸件,因此提高转轮的铸造质量并在大型转轮铸造较为困难的情况下,采用铸焊工艺生产能够安全地用于高水头大出力电站的冲击式水轮机转轮为发展趋势之一。

3、优点

随着水力资源的深入开发，有许多高落差的流域需要进行开发，如我国的雅鲁藏布江，落差达到两千多米，同时修筑水坝又不现实（考虑到这时一条国际河流）。因此冲击式水轮机便成为了首选。冲击式水轮机主要有以下优点：

1.适应流量和水头比值比较小的情况。

2.加权平均效率很高，在整个运行区间都有很高的效率。特别是水斗式水轮机现在先进的可以在30%～110%负荷区间可以平均91%以上的效率。

3.对水头变化的适应能力比较强

4.对管道和水头比值很大的也很适应。

5.开挖量小。

利用冲击式水轮机发电，出力范围可从50kW到500MW，可以适用于30米至3000米较大的水头范围，特别是高水头范围其它类型水轮机无法适用，并且无须建筑水坝，无需建造下游尾水管，建筑经费只是其它类型水轮发电机组2的几分之一，对自然环境影响也非常小。由于转轮在大气压之下的转轮室中运转，可以省去有压过流通道的、密封等的苛刻要求，广泛为工况运行效率高且变化平缓是其具有魅力的另一个原因。由于上述的优点，冲击式水轮机组的开发主题正在被世界关注，我国也引起了足够的重视，我国蕴藏着太多适于冲击式水轮机组开发的水力能源。冲击式水轮机可以充分发挥其结构简单、转轮直径小、效率高的优越性，大大减少电站投资和二次资源的节省，21世纪将会成为选型热点，大型冲击式水轮机开发的成功将创造巨大的经济效益，这一课题有着较强的开创性和应用性。

4、切击式水轮机

切击式水轮机，也叫水斗式水轮机或培尔顿式水轮机；按主轴的布置方式分为卧轴和立轴两种，无论哪种其转轮始终位于大气中。这种水轮机适用于高水头、小流量水电站；大型水斗式水轮机应用水头约300—1700米，小型的也可达到40—250米；目前世界上水头高于1000米的电站均采用水斗式水轮机，单机功率可以达到400MW以上。

其主要结构包括输水管、喷流机构、转轮、折向器和机壳等切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

喷流机构主要由喷管、喷嘴、喷针（针阀）和喷针移动机构组成；其作用是把水流势能转化为射流动能，并通过移动喷针来调节流量。

转轮由圆盘和固定在它上面的水斗组成，射流冲向水斗，水斗与射流相互作用，射流动能转化为转轮旋转机械能；由于承受射流，水头越高对转轮强度要求也越高。

折向器就是一块高强度钢板（和驱动装置），机组甩负荷时折向器迅速使射流偏转，避免使机组转速过快。

机壳则主要起支撑水轮机轴承、排水的作用。

值得说明的是水斗水轮机中喷流机构和折向器都不只一套，其数量因型号各异，一般水头低时选4—6个，水头高时选2—3个。

5、斜击式水轮机

斜击式水轮机利用喷嘴把水流的压力能变成速度能，水流自离开喷嘴，进入转轮直至离开转轮的整个工作过程，不是在一个封闭系统内，而是在充满大气的机壳中进行形成*射流，并且同一时刻往往有3-4个斗叶在接受同一喷嘴流量大小不等的这种*射流。喷嘴出口射流中心与转轮进水平面呈一定的夹角（通常取22.5度）。

斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。

6、双击式水轮机

双击式水轮机就其原理来讲，他是介于反击式水轮机和冲击式水轮机之间(因水流在第一次流过叶片时是有压流动)。水流通过引水管从喷咀流出后,从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心，完成第一次能量交换后(约占总转换能量的70%)，再从转轮中心通过径向叶片流出转轮，完成第二次能量交换。

双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。这种水轮机效率低，一般适用于H<60m，N<150kW的小型水电站。

7、与反击式水轮机工作原理的异同点

冲击式水轮机的工作原理与反击式水轮机相同点是，均是利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给转轮，使转轮旋转释放出机械能。冲击式水轮机与反击式水轮机工作原理显著的不同点是：

1.在冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能转变为射流动能。而反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求。

2.在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个过程，始终在空气中进行。则位于各部分的水流压力保持不变（均等于大气压力）。它不像反击式水轮机那样，在导水机构、工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称为无压水轮机，而反击式水轮机，称之为有压水轮机。

3.在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。故在导水机构、转轮及转轮后的区域内，均需有密闭的流道。而在冲击式水轮机中，就不需要设置密闭的流道。

4.反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。而冲击式水轮机，水流离开转轮时已流速很小，又通常处在大气压力下,因此它不需要尾水管。从另一方面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮至下游水面之间的这部分水流能量。

5.反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换。并且，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。6.在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮叶片正面，并由空气层把水流与叶片的背面隔开。这样，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生紊乱。

7.冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，充实水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周速度小）、出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量的场合。